任建新 REN Jian-xin；王一鳴 WANG Yi-ming；梁杰 LIANG Jie；孫琳 SUN Lin；閆肅 YAN Su

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，呼和浩特 010080）

0 引言

隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)始蓬勃發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越看重生活的質(zhì)量。智能化設(shè)備給我們生活提供了很多便利，生活中各式各樣的智能設(shè)備方便了我們?nèi)粘５牟僮?，傳統(tǒng)的住宅模式已經(jīng)不能滿足生活的需求，居民已經(jīng)趨向于選擇智能家宅，智能家居也因此不斷飛速發(fā)展。智能家居實(shí)現(xiàn)了用戶在公司，在出差時(shí)便可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)了解到家庭內(nèi)的各種環(huán)境參數(shù)，以此為依據(jù)可操作家庭內(nèi)相關(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。這樣可以做到更加安全，更加便利的居家方式?，F(xiàn)在人們的生活節(jié)奏也因時(shí)代而逐步加快，大多數(shù)居民不再愿意選擇傳統(tǒng)住宅的居家方式，智能家居系統(tǒng)可以為居民帶去安全，環(huán)保，舒適和便捷的體驗(yàn)，是未來(lái)家居發(fā)展的方向。本研究為基于樹(shù)莓派4B的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)總體包括以下具體功能，簡(jiǎn)單控制功能、繼電器控制功能、人體紅外探測(cè)功能、家庭溫濕度檢測(cè)功能、煙霧檢測(cè)功能、拍照攝像功能、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)功能。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，測(cè)試良好，符合預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 智能家居系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 總體功能設(shè)計(jì)

1.1.1 系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要包括控制和終端兩個(gè)部分。智能家居模塊，主要由溫濕度檢測(cè)模塊、煙霧檢測(cè)模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊、LED燈光控制模塊、繼電器控制模塊、拍照攝像模塊及安防檢測(cè)模塊組成，用于滿足智能家居的日常需求。同時(shí)，為了便于用戶實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和操作，系統(tǒng)需要加入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分（DBMS），系統(tǒng)總體組成如圖1所示。

圖1 總體功能流程圖

1.1.2 系統(tǒng)實(shí)物圖連接

系統(tǒng)實(shí)物圖主要由樹(shù)莓派4B、液晶觸摸屏、PC機(jī)及一系列傳感器組成，樹(shù)莓派4B及傳感器完成數(shù)據(jù)采集，PC機(jī)提供遠(yuǎn)程終端控制功能，樹(shù)莓派4B在樹(shù)莓派3B的基礎(chǔ)上得到了極大的改進(jìn)，不僅支持更大的運(yùn)行內(nèi)存，CPU、GPU和輸入/輸出也顯著增強(qiáng)了。實(shí)物圖見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)連接實(shí)物圖

1.2 功能模塊功能設(shè)計(jì)

1.2.1 溫濕度模塊

通過(guò)溫濕度傳感器和繼電器配合實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭空調(diào)和加濕器的控制，并在樹(shù)莓派控制頁(yè)面上顯示當(dāng)前溫濕度以及繼電器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，用戶可以根據(jù)獲得的室內(nèi)溫濕度值，進(jìn)行自主調(diào)節(jié)，選擇打開(kāi)空調(diào)或者加濕器，同時(shí)調(diào)整前后的數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.2.2 煙霧檢測(cè)模塊

這一模塊的實(shí)現(xiàn)主要利用煙霧檢測(cè)傳感器，該功能可以在發(fā)生火災(zāi)或有煙霧出現(xiàn)的時(shí)候精準(zhǔn)檢測(cè)到其位置，并且判定是真正的火災(zāi)還是正常操作下的火種，同時(shí)提示用戶加以檢查，確保安全（打開(kāi)窗戶、打開(kāi)噴淋水閥）。如果有火災(zāi)發(fā)生這時(shí)系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出報(bào)警信息來(lái)通知用戶同時(shí)還會(huì)將相關(guān)的火災(zāi)情況以及報(bào)警信息打印出來(lái)，方便消防員滅火時(shí)了解情況。同時(shí)在軟件頁(yè)面部分，可以隨時(shí)在界面上觀察火災(zāi)探測(cè)器的工作狀態(tài)，便于用戶每個(gè)火災(zāi)探測(cè)器進(jìn)行管理。

1.2.3 蜂鳴器報(bào)警模塊

這一模塊主要是配合溫濕度模塊、煙霧檢測(cè)模塊、案防檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)檢測(cè)到室內(nèi)溫濕度大于某一預(yù)設(shè)值，蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警；當(dāng)火災(zāi)發(fā)生，煙霧檢測(cè)模塊工作的同時(shí)，蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警；當(dāng)有外人侵入，紅外對(duì)射傳感器工作的同時(shí)，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，警示入侵人員。

1.2.4 繼電器控制模塊

繼電器模塊的設(shè)計(jì)，主要是為了用戶根據(jù)實(shí)時(shí)情況完成對(duì)家中電器設(shè)備的操作，如打開(kāi)風(fēng)扇、打開(kāi)窗戶、打開(kāi)噴淋水閥等，繼電器控制功能主要由硬件部分實(shí)現(xiàn)，程序方面只是將接受到的指令轉(zhuǎn)換成控制引腳的高低電平。當(dāng)收到打開(kāi)電源指令，則將控制引腳置低電平，三極管導(dǎo)通從而繼電器接通。當(dāng)收到關(guān)閉電源命令的時(shí)候，將控制引腳置高電平，三極管截止從而繼電器斷開(kāi)通過(guò)上面的步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)電源的打開(kāi)和關(guān)閉操作。

1.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

1.3.1 溫濕度數(shù)據(jù)采集表——DHT11Result

溫濕度實(shí)體具有日期（Date）、時(shí)間（Time）、溫度（Temperature）、濕度（Humidity）等屬性，其中時(shí)間（Time）做主鍵，不能為空，E-R圖見(jiàn)圖3。

圖3 溫濕度實(shí)體及屬性

1.3.2 紅外檢測(cè)存儲(chǔ)表——RpiResult

紅外檢測(cè)實(shí)體具有日期（Date）、時(shí)間（Time）、狀態(tài)（State）、地點(diǎn)（Place）等屬性，其中時(shí)間（Time）做主鍵，不能為空。E-R圖見(jiàn)圖4。

圖4 紅外檢測(cè)實(shí)體及屬性

1.3.3 煙霧檢測(cè)存儲(chǔ)表——Mq2Result

煙霧檢測(cè)實(shí)體具有日期（Date）、時(shí)間（Time）、狀態(tài)（State）、地點(diǎn)（Place）等屬性，其中時(shí)間（Time）做主鍵，不能為空。E-R圖見(jiàn)圖5。

圖5 煙霧檢測(cè)實(shí)體及屬性

2 智能家居系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 繼電器控制功能實(shí)現(xiàn)效果圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，繼電器對(duì)電器的功能主要通過(guò)模擬控制的方式實(shí)現(xiàn)，代替實(shí)物，按下控制按鍵，在當(dāng)前UI界面顯示電器的工作狀態(tài)，比如單擊“打開(kāi)風(fēng)扇”按鍵，UI界面顯示出風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)圖像，單擊“關(guān)閉風(fēng)扇”按鍵，風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動(dòng)。同樣，打開(kāi)窗戶功能，燒水功能也是采用模擬的方式實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)效果圖如圖6所示。

圖6 繼電器模擬實(shí)現(xiàn)電器控制

2.2 家居溫濕度采集功能效果圖

家庭溫濕度采集功能主要使用DHT11溫濕度傳感器，該傳感器具有超小體積、極低功耗的特點(diǎn)，適用于對(duì)精度和實(shí)時(shí)性要求不高的溫濕度測(cè)量場(chǎng)合。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，當(dāng)溫濕度大于設(shè)定值，UI界面顯示溫濕度的同時(shí)，將以模擬電器工作的方式，模擬打開(kāi)風(fēng)扇和打開(kāi)窗戶。當(dāng)溫濕度數(shù)據(jù)沒(méi)有大于預(yù)設(shè)定的數(shù)值，UI界面進(jìn)行顯示即可，效果圖如圖7所示。

圖7 采集溫濕度效果圖

2.3 煙霧檢測(cè)功能效果圖

煙霧檢測(cè)功能，主要采用MQ2煙霧傳感器實(shí)現(xiàn)，當(dāng)檢測(cè)到煙霧產(chǎn)生，UI界面顯示著火信息，包括“警告Smoke、地點(diǎn)、時(shí)間”等信息，同時(shí)UI界面模擬電器工作，如風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)、窗戶打開(kāi)，同時(shí)將信息保存在數(shù)據(jù)庫(kù)“Mq2Result”表中，效果圖如圖8所示。

圖8 檢測(cè)到煙霧產(chǎn)生效果圖

2.4 拍照攝像功能效果圖

拍照攝像功能主要用來(lái)配合其他功能實(shí)現(xiàn)，比如檢測(cè)到入侵、檢測(cè)到煙霧，拍照攝像功能將打開(kāi)，以供人員進(jìn)行查看，拍照攝像功能主要提供了圖像查看、圖像捕獲、圖像保存、圖像預(yù)覽功能，人員可以時(shí)刻查看實(shí)時(shí)家庭情況，效果圖如圖9所示。

圖9 捕獲的圖像預(yù)覽保存

3 總結(jié)

本系統(tǒng)是基于嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)，該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可以滿足日常家居需求，使家居更加舒適、智能、安全。系統(tǒng)主要包括UI控制界面和模塊功能兩部分，主要實(shí)現(xiàn)了以下的功能，簡(jiǎn)單的控制功能，包括打開(kāi)、關(guān)閉蜂鳴器和全彩LED；繼電器控制功能，用于控制家庭部分電器的工作；人體紅外探測(cè)功能，用于檢測(cè)是否有人入侵；家庭溫濕度檢測(cè)功能；煙霧檢測(cè)功能，用于檢測(cè)是否發(fā)生火災(zāi)；家庭拍照攝像功能，用于用戶實(shí)時(shí)查看家庭情況；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。該系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能并不是簡(jiǎn)單的單一功能，而是多個(gè)模塊功能協(xié)同配合，滿足用戶的實(shí)際需求，如煙霧檢測(cè)功能同時(shí)會(huì)配合報(bào)警功能、繼電器控制功能和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能同時(shí)工作，既可以方便用戶解決問(wèn)題，也可以便于用戶查看信息，該系統(tǒng)可以滿足用戶日常需求。